CN113131314A - 一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，包括：第一可调谐单频脉冲激光种子源，连接至波分复用器的第一输入端；第二可调谐单频脉冲激光种子源，连接至波分复用器的第二输入端；波分复用器，用于将接收到的两束单频脉冲激光耦合输入光纤准直透镜的输入光纤；光纤准直透镜，将两束激光聚焦后输入差频晶体中；差频晶体，安装在温控炉上，通过调整温控炉的温度以及差频晶体的入射角度，使两束激光满足实现差频效应的条件，产生远红外单频脉冲激光，并通过二色镜输出。本发明将两束泵浦激光耦合入同一根光纤输出，具有光斑小能量密度高、光束质量好的特点，结构简单和抗环境干扰能力好，可广泛应用于远红外激光器技术领域。

Description

一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器
技术领域
本发明涉及远红外激光器技术领域，尤其涉及一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器。
背景技术
远红外激光光源在红外制导、红外预警、红外对抗等军事领域，以及环境监测、工业生产过程检测、红外激光诊断和红外光谱学等民用领域有着重要的应用价值。此外，作为大气窗口，远红外光源对大气成分的研究也很有意义。单频光纤激光器由于具有高信噪比、低噪声、窄线宽、良好光束质量和全光纤化结构等优势，在激光研究领域引起了广泛的关注。但是目前，全光纤化单频激光器的工作波长最长可达2.8μm，是通过基于掺铒氟化物光纤的分布反馈式结构实现。空间结构单频激光器的工作波长最长可达2.9μm，是基于掺钬氟化物光纤和空间耦合方式实现。严格来说，基于稀土离子掺杂增益光纤实现单频激光器的输出波长局限于<3μm。
要获得远红外波段(3～15μm)激光输出，目前最常见的方法是基于近红外激光光源的非线性频率转换方式来实现激光频率红移，主要包括差频效应、拉曼频移等过程。其中拉曼频移属于三阶非线性效应，其所需的激光阈值较高。在非对称反演的非线性晶体材料中，只要满足差频的相位匹配，可以发生差频效应，其中两个泵浦光束会生成另一个光束，生成光束的频率是泵浦光束频率之差。一般差频效应的激光阈值功率相比于拉曼效应的较低，生成的激光波长取决于两束泵浦激光的波长，通过对两束泵浦激光波长的选择可以控制差频激光波长。
在现有技术中，泵浦光和信号光采用波长分段组合方案，能够实现差频产生3～5μm中红外激光输出，但这种方案需要多个不同波长激光器作为泵浦源，装置结构复杂，且未能实现中红外单频激光输出。或者，利用外腔二极管激光器和钛蓝宝石激光器实现差频产生5～12.5μm可调谐中红外激光输出；采用空间耦合两束连续泵浦激光，由于泵浦光功率较低(仅380mW)，导致差频产生激光功率较低(nW级别)，且未能实现远红外单频激光输出。或者，采用1064nm单频脉冲泵浦源，通过光学参量振荡实现3～4.5μm中红外单频激光输出，但是该方案采用空间耦合方式，光斑尺寸较大(600μm)，装置结构复杂，且未能实现远红外激光输出。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，包括：
第一可调谐单频脉冲激光种子源，作为泵浦源和信号源，通过第一光放大器放大后连接至波分复用器的第一输入端；
第二可调谐单频脉冲激光种子源，作为泵浦源和信号源，通过第二光放大器放大后连接至波分复用器的第二输入端；
波分复用器，用于将接收到的两束单频脉冲激光耦合输入光纤准直透镜的输入光纤；
光纤准直透镜，将两束激光聚焦后输入差频晶体中；
差频晶体，安装在温控炉上，通过调整温控炉的温度以及差频晶体的入射角度，使两束激光满足实现差频效应的条件，产生远红外单频脉冲激光，并通过二色镜输出。
进一步，所述第一可调谐单频脉冲激光种子源为1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源，所述第二可调谐单频脉冲激光种子源为1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源。
进一步，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源为中心波长在1590～1610nm范围内可调谐的单频激光器，所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源为中心波长在1800～2000nm范围内可调谐的单频激光器。
进一步，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源和所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源，通过以下任一种方式实现脉冲输出：
通过电流直接调制单频半导体激光器来实现脉冲输出；或，
采用腔内或外腔调Q单频固体激光器来实现脉冲输出；或，
采用腔内或外腔调Q单频光纤激光器来实现脉冲输出。
进一步，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源和所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源，通过以下任一种方式实现波长调谐：
通过驱动电流或温度的方式控制单频半导体激光器来实现波长调谐；或，
通过谐振腔温度或加载应力于谐振腔的方式控制单频固体激光器来实现波长调谐；或，
通过谐振腔温度或加载应力于谐振腔的方式控制单频光纤激光器来实现波长调谐；或，
通过可调谐滤波装置结合环形腔以及复合腔结构的单频光纤激光器来实现波长调谐。
进一步，所述第一光放大器为掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器或半导体光放大器。
进一步，所述第二光放大器为掺铥光纤放大器或铥钬共掺光纤放大器。
进一步，所述第一光放大器和所述第二光放大器，采用一个光放大器来实现或采用多个光放大器进行级联来实现。
进一步，所述差频晶体为硫镓银晶体AgGaS2、硒镓银晶体AgGaSe2、硒化镓晶体GaSe或者磷锗锌晶体ZnGeP2。
进一步，所述二色镜为反射近红外激光和透射远红外激光；或者，
所述二色镜为反射远红外激光和透射近红外激光。
本发明的有益效果是：本发明将两束泵浦激光耦合入同一根光纤输出，具有光斑小(100μm)、能量密度高、光束质量好的特点，可以进一步提高了差频过程的转换效率；同时减少了空间光学元件的使用，其装置结构简单和抗环境干扰能力好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器的结构示意图。
附图标记：1—1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源、2—1.6μm光放大器、3—1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源、4—1.9μm光放大器、5—1.6/1.9μm波分复用器、6—光纤准直透镜、7—差频晶体、8—温控炉、9—二色镜。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，包括：1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源1、1.6μm光放大器2、1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源3、1.9μm光放大器4、1.6/1.9μm波分复用器5、光纤准直透镜6、差频晶体7、温控炉8以及二色镜9。各部件之间的连接关系为：1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源1与1.6μm光放大器2的一端相连，1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源3和1.9μm光放大器4的一端相连，1.6μm光放大器2的另一端和1.9μm光放大器4的另一端分别与1.6/1.9μm波分复用器5的两端口相连，1.6/1.9μm波分复用器5的公共端与光纤准直透镜6的输入光纤相连，光纤准直透镜6输出的空间激光依次经差频晶体7、二色镜9，差频晶体7固定在温控炉8上面，在差频晶体7中产生的8～15μm远红外单频脉冲激光经二色镜9最终输出。
本实施例首先通过电流直接调制或腔内/外腔调Q方法来实现1.6μm和1.9μm单频激光种子源的脉冲形式输出；同时通过控制驱动电流、温度或者控制谐振腔温度、加载应力于谐振腔等方式实现1.6μm和1.9μm单频脉冲种子源的波长可调谐输出。然后采用相应的光放大器对两束单频脉冲种子激光进行功率放大至峰值功率数kW量级，高峰值功率脉冲激光可以有效提高差频的转换效率。接着两束放大后的脉冲激光通过波分复用器耦合进入同一根光纤，并经光纤准直透镜聚焦进入差频晶体，调整入射角使其满足相位匹配条件，从而产生差频效应。即当能量较高的高频光(泵浦光)和能量较低的低频光(信号光)同时入射到非线性晶体时，在满足相位匹配的条件下，会产生另一种低频光(闲频光)。闲频光的能量将会随着传播距离的增大而单调上升，即泵浦光能量不断转移到闲频光上。此外，进一步通过调谐1.6μm和1.9μm单频脉冲激光种子源的输出波长进行差频过程，最终可以实现8～15μm远红外可调谐窄线宽单频脉冲激光输出。
本实施例中1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源1和1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源3均是激光线宽为5kHz的单频光纤激光器，通过外腔调Q方式来实现脉冲输出。本实施例中1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源1是基于加载应力于谐振腔的方式来实现波长调谐，其调谐范围为1590～1610nm。本实施例中1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源3是基于可调谐滤波装置结合环形腔的方式来实现波长调谐，其调谐范围为1800～2000nm。本实施例中1.6μm光放大器2是铒镱共掺光纤放大器，为三级光放大器级联结构；1.9μm光放大器4是掺铥光纤放大器，为三级光放大器级联结构；分别对两束单频脉冲种子激光进行功率放大至峰值功率为3kW和5kW。
本实施例中差频晶体为AgGaS2晶体，其尺寸为5mm×8mm×10mm，晶体表面镀宽带增透膜(1.1～2.6μm，透射率大于95％)，其切割角度θ与
Figure BDA0003002292770000051
分别为39°、0°。本实施例中二色镜是反射近红外激光(1.6μm、1.9μm激光)和透射远红外激光(8～15μm闲频光)。
将两束被放大后的1.6μm和1.9μm单频脉冲激光利用1.6/1.9μm波分复用器5耦合进入同一根光纤；通过调整光纤准直透镜6，将两束激光聚焦进入差频晶体7中，将差频晶体置于温控炉8中；通过调整温控炉8的控制温度以及差频晶体的入射角度，使其满足相位匹配条件进而产生差频效应；同时，分别通过调谐1.6μm和1.9μm单频脉冲激光的中心波长在1590～1610nm和1800～2000nm范围内变化，最终实现7.76～15.25μm范围内可调谐、峰值功率kW量级、线宽小于10kHz的单频脉冲激光输出。
综上所述，本实施例的单频脉冲激光器相对于现有技术，具有如下有益效果：
(1)本实施例分别采用1.6μm和1.9μm单频脉冲激光种子源作为泵浦源和信号源，将其功率放大至峰值功率数kW量级，脉冲激光具有高峰值功率，降低了非线性效率的激光阈值，可以有效提高差频过程的转换效率和提高8～15μm远红外单频脉冲激光的输出功率。
(2)本实施例采用的1.6μm和1.9μm单频激光器，具有线宽窄(kHz量级)、噪声低、工作稳定等特点，由于泵浦源和信号源激光具有极窄的光谱带宽，可以进一步提高了差频过程的转换效率和提高8～15μm远红外单频脉冲激光的输出功率。
(3)本实施例将两束泵浦激光耦合入同一根光纤输出，具有光斑小(100μm)、能量密度高、光束质量好的特点，可以进一步提高了差频过程的转换效率；同时减少了空间光学元件的使用，其装置结构简单和抗环境干扰能力好。
(4)本实施例分别采用1.6μm和1.9μm可调谐单频激光器作为泵浦源和信号源，两者的简单调谐方式结合对非线性晶体的差频效应，可以实现远红外窄线宽单频脉冲激光在宽调谐范围内(8～15μm波段)输出。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，包括：
第一可调谐单频脉冲激光种子源，作为泵浦源和信号源，通过第一光放大器放大后连接至波分复用器的第一输入端；
第二可调谐单频脉冲激光种子源，作为泵浦源和信号源，通过第二光放大器放大后连接至波分复用器的第二输入端；
波分复用器，用于将接收到的两束单频脉冲激光耦合输入光纤准直透镜的输入光纤；
光纤准直透镜，将两束激光聚焦后输入差频晶体中；
差频晶体，安装在温控炉上，通过调整温控炉的温度以及差频晶体的入射角度，使两束激光满足实现差频效应的条件，产生远红外单频脉冲激光，并通过二色镜输出。
2.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一可调谐单频脉冲激光种子源为1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源，所述第二可调谐单频脉冲激光种子源为1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源。
3.根据权利要求2所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源为中心波长在1590～1610nm范围内可调谐的单频激光器，所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源为中心波长在1800～2000nm范围内可调谐的单频激光器。
4.根据权利要求2或3所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源和所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源，通过以下任一种方式实现脉冲输出：
通过电流直接调制单频半导体激光器来实现脉冲输出；或，
采用腔内或外腔调Q单频固体激光器来实现脉冲输出；或，
采用腔内或外腔调Q单频光纤激光器来实现脉冲输出。
5.根据权利要求2或3所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述1.6μm可调谐单频脉冲激光种子源和所述1.9μm可调谐单频脉冲激光种子源，通过以下任一种方式实现波长调谐：
通过驱动电流或温度的方式控制单频半导体激光器来实现波长调谐；或，
通过谐振腔温度或加载应力于谐振腔的方式控制单频固体激光器来实现波长调谐；或，
通过谐振腔温度或加载应力于谐振腔的方式控制单频光纤激光器来实现波长调谐；或，
通过可调谐滤波装置结合环形腔以及复合腔结构的单频光纤激光器来实现波长调谐。
6.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一光放大器为掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器或半导体光放大器。
7.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述第二光放大器为掺铥光纤放大器或铥钬共掺光纤放大器。
8.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一光放大器和所述第二光放大器，采用一个光放大器来实现或采用多个光放大器进行级联来实现。
9.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述差频晶体为硫镓银晶体、硒镓银晶体、硒化镓晶体或者磷锗锌晶体。
10.根据权利要求1所述的一种宽波段可调谐窄线宽单频脉冲激光器，其特征在于，所述二色镜为反射近红外激光和透射远红外激光；或者，
所述二色镜为反射远红外激光和透射近红外激光。
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